预压桥背地基堆载预压处理有限元

摘要：采用土工有限元软件Plaxis8.2计算了某桥梁地基在地面堆载作用下各时刻土体的沉降、侧向位移和超孔隙水压力等数据，分析了该桥地基在多级加载下的复杂细观力学行为和宏观变形特征，并且采用Abaqus有限元软件分析了堆载预压过程中桥梁桩基桩身水平位移和竖向压缩对桩身混凝土裂缝宽度的影响。可以为同类工程提供一个参考。
关键词：堆载预压；桥梁桩基；有限元；桩身裂缝宽度

0 引 言
堆载预压是排水固接软基处理手段中的一种，它通过在软土地基上施加一定的静载使地基得以加固，从而提高地基承载力，是一种行之有效、简便经济的方法。在公路箱通箱涵等小型结构物及高填土的桥头两侧采用堆载预压的施工方法，不仅可以减小工后沉降，还能解决桥头跳车的问题。在软土地基加固中，常常是通过分析软土中沉降板沉降观测、分层沉降观测及空隙水压力的增长和消散来实现的。本文以温州市某桥梁工程为背景，采用二维弹塑性有限单元法分析了该桥梁地基在台后填土堆载施工中的土体固结沉降、侧向位移和超孔隙水压力，并对桩基的裂缝宽度进行了计算，为堆载预压施工的现场作业以及相应的施工监测提供必要的理论参考。
1工程概况
瑞安飞云江三桥南北延伸线工程是浙江省公路建设计划及瑞安市“公路水运交通建设规划”实施的重点工程，是瑞安市“五纵两横”交通网络五纵之

一、本文的背景工程位于其北延伸线上。

飞云江三桥北延伸线工程路线全长8.6m，路基宽度48.5m，设计速度100km/h，沿线密布河道，大部分河道宽度10～15m，共设置23座桥梁，桥跨布置为3×10m，上部结构为先简支后连续预应力混凝土空心板梁，设计荷载为公路I级。工程地质情况以淤泥和粘土为主，淤泥层厚度约20~3

3.5m。

2011年3月，设计单位对原设计方案进行了变更，桥台桩基由原来的单排桩变为双排桩，桩长增加较大，桩径也增加至1.2m。施工方案也进行了相应的变更，改为台后填土堆载预压期内同步施工桥梁桩基的方案，在台后填土堆载至路面标高+预抛高55cm后，预压4个月，然后开始施工桥梁桩基，从开始填土起算堆载预压时间总共为18个月。
本文背景工程鲍田1号桥的路堤填土高度是北延伸线工程中较大的，其0号桥台后填土厚度达到了

3.288m，地质情况如图1所示。

图1 鲍田1号桥地质柱状图（单位：m）

2 有限元模型和计算参数

本文有限元模拟计算采用荷兰代尔夫特（Delft）技术大学开发的岩土工程有限元软件PLAXIS，该软件能进行变形、固结、渗流计算。鲍田1号桥的模型为平面有限元模型，模型网格剖分如图2所示，采用15节点的三角形平面应变单元进行结构离散，模型共有节点25809个，单元2963个。边界条件为：地基的左右侧边界水平方向约束，竖向自由，不透水；底部边界水平和竖直方向约束，透水；顶部边界自由，透水。
图2 有限元模型网格剖分
模型采用的土体参数如表1所示。表中路堤填土容重考虑了预抛高土体的重量。
按照土工试验结果，渗透系数k采用太沙基一维渗流固结理论进行计算[3]，如式（1）所示：
（1）
式中为压缩系数，为固结系数，为水容重，为天然孔隙比。
本文塑料排水板采用等效竖向渗透系数进行模拟[4]，如式（2）所示：
（2）
式中为排水板长度，为单元体直径，μ为考虑了塑料排水板等效直径、涂抹区直径、排水能力等指标的参数，本工程设置塑料排水板的排水区域竖向渗透系数提高了67～100倍。
此外，因采用二维计算方法，需要把转孔桩等效为板桩，本文采用改变其弹性模量的方法，改变后的弹性模量的计算如式（3）所示：
（3）
式中为板桩弹性模量，为钻孔桩弹性模量，为桩长范围内各层土弹性模量加权值，为各桩中心距离，为桩径。直径1m钻的孔灌注桩混凝土弹性模量取5.36Gpa，直径1.2m的钻孔灌注桩弹性模量取

6.43Gpa，承台、桥台弹性模量取30Gpa，泊松比均为0.2。

本文在计算时，把整个堆载预压过程分为5个工况进行计算。取常水位2.64m为计算水位，生成初始孔压，而且考虑到本工程车流量较大，把交通车辆等效荷载取为6kpa。加载工况见表3-2。
表1 土石料摩尔-库仑参数


表2 软土模型参数


表中KH、KV 为乘以105以后的值。
表3 加载工况表


3堆载预压计算结果分析

3.1 台后路堤填土固结沉降

台后路堤填土固结沉降如图3和图4所示。从图3和图4可以看出，台后路堤填土在分别预压90d、210d、540d和900d后，其最大固结沉降依次为0.36m、0.57m、0.77m和0.89m，河道土体隆起最大值分别为0.32m、0.31m、0.24m和0.22m，固结沉降最大处发生在台后填土区域，但是台后填砂砾区域固结沉降相对较小，而且桥梁桩基在施工后1年内其固结沉降逐渐趋于稳定。
图3 路堤填土沉降时程曲线
(a)工况2路堤填土90d(累计90d)
(b)工况3堆载预压120d(累计210d)
(c)工况4堆载预压330d(累计540d)
(d)工况5堆载预压360d(累计900d)
图4 各工况填土固结沉降云图

3.2 土体侧向位移

0号台桩顶土体侧向位移见图5和图6。从图5和图6可以看出，桩基施工后2年内水平位移为11mm，台后路堤填土在分别预压90d、210d、540d和900d后土体最大侧向位移分别为0.27m、0.30m、0.30m和0.30m，侧向位移最大处发生在河道边坡区域。
(a)工况2路堤填土90d(累计90d)
(c)工况4堆载预压330d(累计540d)
图5 0号台桩顶及桩顶土体侧向位移时程曲线
(b)工况3堆载预压120d(累计210d)
(d)工况5堆载预压360d(累计900d)
图6 各工况土体侧向位移云图

3.3 超孔隙水压力

超孔隙水压力变化见图7和图8。从图7和图8可以看出，在预压90d、210d、540d和900d的土体最大超孔压分别为-72.5kpa、-69.2kpa、-70.7kpa和-6

7.9kpa，超孔压最大处发生在塑料排水板底部以下，并逐步扩散到桥梁桩基之间区域。

塑料排水板区域超孔压在2年内从-66.2kpa逐步消散至-9.0kpa，排水区域超孔压没有立即消散，这与实际状况是一致的，表明采用等效竖向渗透系数模拟塑料排水板有较好结果。
图7

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塑料排水板底超孔压时间曲线

3 桩身裂缝宽度分析

本文取位移较大的0号台桩基进行计算分析，0号台桩基在分别预压540d和900d的桩身水平位
(a)工况2路堤填土90d(累计90d)
(c)工况4堆载预压330d(累计540d)
(b)工况3堆载预压120d(累计210d)